KR20170142000A - Thermoelectric Apparatus And Forming Method of Thermoelectric Apparatus - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a thermoelectric element which has a pillar shape having a hollow, ensures operation reliability, and has high thermoelectric conversion efficiency. According to an embodiment of the present invention, the thermoelectric conversion device comprises: a substrate having the hollow; an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material located on a surface of the substrate along a direction in which the substrate is extended; an internal wire located between the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material, and electrically connecting the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material; and an external wire electrically connecting the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material to the outside.

Description

열전 변환 장치 및 열전 변환 장치 제조 방법{Thermoelectric Apparatus And Forming Method of Thermoelectric Apparatus}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a thermoelectric conversion device and a thermoelectric conversion device,

본 발명은 열전 변환 장치 및 열전 변환 장치 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric conversion device and a method of manufacturing a thermoelectric conversion device.

열전 재료는 지벡 효과와 펠티에 효과에 의해 열 에너지와 전기 에너지를 변환할 수 있는 재료로, 전자냉각과 열전발전에 다양하게 응용되고 있다. 열전재료를 이용한 전자냉각 모듈과 열전발전 모듈은 p형 열전 레그(leg)들과 n형 열전 레그들이 전기적으로는 직렬 연결된 구조를 갖는다. 열전모듈을 전자냉각용으로 사용하는 경우에는 모듈에 직류전류를 인가함으로써 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자의 이동에 의해 열이 cold junction 부위에서 hot junction 부위로 펌핑되어 cold junction 부위가 냉각된다. 이에 반해, 열전 발전의 경우에는 모듈의 온도차에 의해 고온에서 저온 부위로 열 이동시 p형과 n형 열전소자에서 각기 정공과 전자들이 고온에서 저온으로 이동함으로써 지벡 효과에 의해 기전력이 발생한다.Thermoelectric materials are materials that can convert heat energy and electric energy by the Seebeck effect and the Peltier effect, and they are applied variously to electronic cooling and thermoelectric generation. The electronic cooling module and the thermoelectric module using the thermoelectric material have a structure in which the p-type thermoelectric legs and the n-type thermoelectric legs are electrically connected in series. When a thermoelectric module is used for electron cooling, heat is pumped from the cold junction region to the hot junction region by the movement of holes and electrons in the p-type and n-type thermoelectric elements by applying a DC current to the module, And cooled. On the other hand, in the case of thermoelectric power generation, due to the temperature difference of the module, the electrons move from high temperature to low temperature in p type and n type thermoelectric devices when heat is moved from high temperature to low temperature part, and electromotive force is generated by the Seebeck effect.

종래의 열전 소자는 n 형 소자와 p 형 열전재료를 벌크(bulk) 형태로 제작하여 열전 레그(leg)를 형성하고, 형성된 열전 레그를 평면상에 교차적으로 배치한다. 이후 n형 및 p형 열전 레그의 전기적 연결을 위해 평면상에 배치된 p형과 n형 열전 레그 들의 상단과 하단에 도전 선로 (전극, electrode)를 형성하고, 세라믹 기판을 전극 위에 형성함으로써 최종적인 소자의 구조는 샌드위치 형태를 취하는 것이 일반적이다. 이로 인해 소자의 구조가 매우 제한되며, 소자의 활용에도 많은 제약을 받고 있다.A conventional thermoelectric element forms an n-type element and a p-type thermoelectric material in a bulk form to form thermoelectric legs, and the formed thermoelectric legs are arranged on a plane in a crossed manner. Thereafter, a conductive line (electrode) is formed on the upper and lower ends of the p-type and n-type thermoelectric legs arranged on the plane for electrical connection between the n-type and p-type thermoelectric legs, The structure of the device generally takes the form of a sandwich. As a result, the structure of the device is very limited and the use of the device is restricted.

따라서, 평면을 제외한 일정한 곡률을 갖는 구조에 종래의 열전소자를 사용할 경우 n형 혹은 p형 열전 레그와 도전 선로 사이의 접합부에 크랙(crack)이 발생하기에 접촉 저항(contact resistance)의 증가로 인한 열전 변환 효율의 감소와 전극의 박리(delamination)현상으로 인한 소자 구동의 신뢰성 저하 등의 문제점을 지니게 된다.Therefore, when a conventional thermoelectric element is used for a structure having a constant curvature except a plane, a crack is generated at the junction between the n-type or p-type thermoelectric leg and the conductive line, There are problems such as a decrease in the thermoelectric conversion efficiency and a decrease in the reliability of driving the device due to the delamination phenomenon of the electrode.

본 실시예는 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 중공(中孔)을 가지는 기둥 형태를 가지되, 동작 신뢰성을 담보할 수 있고 높은 열전 변환 효율을 가지는 열전 소자를 제공하는 것이 본 실시예의 주된 목적 중 하나이다.The present embodiment is to solve the problems of the related art, and it is an object of the present invention to provide a thermoelectric element having a columnar shape with a hollow hole and capable of securing operational reliability and having a high thermoelectric conversion efficiency, It is one of the main purposes.

본 실시예에 의한 열전 변환 장치는 중공(中孔)을 가지는 기판과, 기판이 연장되는 방향을 따라 기판의 표면에 배치되는 n형 열전 재료와 p형 열전 재료와, 기판과 n형 열전 재료 및 p형 열전 재료 사이에 위치하여 n형 열전 재료 및 p형 열전 재료를 전기적으로 연결하는 내부 배선 및 n형 열전 재료 및 p형 열전 재료를 외부에서 전기적으로 연결하는 외부 배선을 포함한다.The thermoelectric conversion device according to this embodiment includes a substrate having a hollow hole, an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material disposed on the surface of the substrate along a direction in which the substrate extends, type thermoelectric material and an external wiring electrically connecting the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material from the outside, the internal wiring being located between the p-type thermoelectric material and electrically connecting the n-type thermoelectric material and the p-

본 실시예에 의한 열전 변환 장치 형성 방법은 (a) 중공을 가지는 기둥 형태 기판의 표면에 내부 배선을 형성하는 단계와, (b) n형 열전 재료와 p형 열전 재료를 기판에 배치하되, 내부 배선에 의하여 서로 전기적 연결이 이루어지도록 n형 열전 재료와 p형 열전 재료를 배치하는 단계 및 (c) n형 열전 재료와 p형 열전 재료가 서로 전기적으로 연결되도록 외부 배선을 형성하는 단계를 포함한다.(B) forming an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material on a substrate, the method comprising the steps of: (a) forming an internal wiring on a surface of a columnar substrate having a hollow, (C) arranging an external wiring so that the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are electrically connected to each other; and .

본 실시예에 의한 열전 변환 소자 및 그 형성 방법에 의하면 원통형, 사각 기둥 등의 중공(中孔)을 가지는 형태를 가짐에도 불구하고 전극 배선과 n 형 반도체 혹은 전극 배선과 p 형 반도체 사이의 계면에 곡률구조에 의한 크랙(crack) 발생 및 전극 배선의 박리(delamination)현상이 발생하지 않는다는 장점이 제공된다. 또한 본 실시예에 의한 열전 변환 장치에 의하면 중공이 형성되어 있음에도 동작 신뢰성을 담보할 수 있고 높은 열전 변환 효율이 제공된다는 장점이 제공된다. According to the thermoelectric conversion element and the method for forming the same according to the present embodiment, although the electrode has a hollow shape such as a cylindrical shape or a square pillar shape, the electrode wiring and the n-type semiconductor or the electrode wiring and the p- There is provided an advantage that cracking due to the curvature structure and delamination of the electrode wiring do not occur. Further, according to the thermoelectric conversion device according to the present embodiment, an operational reliability can be ensured and a high thermoelectric conversion efficiency can be provided even though a hollow is formed.

도 1은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치의 개요를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 열전 변환 장치를 형성하는 어느 한 과정의 개요를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 일부의 단면 개요를 도시한 도 면이다.
도 4는 본 실시예에 의한 열전 변환 장치(10)를 이용하여 전기 에너지와 열 에너지를 상호 변환하는 것을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 형성 방법의 각 단계별 공정을 설명하기 위한 사시도이다.1 is a perspective view showing the outline of a thermoelectric conversion device according to this embodiment.
Fig. 2 is a diagram showing an outline of a process for forming the thermoelectric conversion device according to the present embodiment.
3 is a sectional view showing a cross-sectional outline of a part of a thermoelectric conversion device according to the present embodiment.
Fig. 4 is a view schematically showing the conversion of electric energy and thermal energy using the thermoelectric conversion device 10 according to the present embodiment.
Figs. 5 to 7 are perspective views for explaining respective steps of the method for forming a thermoelectric conversion device according to the present embodiment. Fig.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the singular " include "or" have "are to be construed as including a stated feature, number, step, operation, component, It is to be understood that the combination is intended to specify that it is present and not to preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.Each step may take place differently from the stated order unless explicitly stated in a specific order in the context. That is, each step may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in reverse order.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the relevant art and can not be construed as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present application .

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 의한 열전 변환 장치를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치의 개요를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 실시예에 의한 열전 변환 장치를 형성하는 어느 한 과정의 개요를 도시한 도면이다. 도 3은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 일부의 단면 개요를 도시한 도 면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 열전 변환 장치(10)는 중공(中孔)을 가지는 기둥 형태의 기판(100)과, 기판(100)이 연장되는 방향(z)을 따라 기판(100)의 표면에 배치되는 n형 열전 재료(210)와, p형 열전 재료(220)와, 기판(100)과 n형 열전 재료(220) 및 p형 열전 재료(220) 사이에 위치하여 n형 열전 재료(210) 및 p형 열전 재료(220)를 전기적으로 연결하는 내부 배선(310) 및 n형 열전 재료(210) 및 p형 열전 재료(220)를 외부에서 전기적으로 연결하는 외부 배선(320)을 포함한다. 일 실시예로, 열전 변환 장치(10)는 외부 기판(110)을 더 포함한다.Hereinafter, a thermoelectric conversion device according to the present embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the outline of a thermoelectric conversion device according to the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram showing an outline of a process for forming a thermoelectric conversion device according to the present embodiment. 3 is a sectional view showing a cross-sectional outline of a part of a thermoelectric conversion device according to the present embodiment. 1 to 3, a thermoelectric conversion device 10 according to the present embodiment includes a substrate 100 in the form of a column having a hollow hole, The n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 disposed on the surface of the substrate 100 and the position between the substrate 100 and the n-type thermoelectric material 220 and the p- The internal wiring 310 for electrically connecting the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 and the external wiring for electrically connecting the n-type thermoelectric material 210 and the p- And a wiring 320. In one embodiment, the thermoelectric conversion device 10 further includes an external substrate 110.

기판(100)은 중공(中孔)을 가지는 기둥 형태를 가지고, 열전도성이 높은 물질로 형성된다. 일 예로, 중공은 도시된 바와 같이 원형 단면을 가질 수 있으며, 도시되지 않은 다른 예로, 중공은 삼각형, 사각형 등의 다각형 단면을 가질 수 있다. 일 예로, 기판(100)은 도시된 바와 같이 원기둥 형태를 가질 수 있으며, 도시되지 않은 예에서, 기판(100)은 다각형 기둥 형태를 가질 수 있다. 일 실시예로, 기판(100)은 세라믹 소재로 형성될 수 있다. The substrate 100 has a columnar shape with a hollow and is formed of a material having high thermal conductivity. In one example, the hollow may have a circular cross-section as shown, and in other examples not shown, the hollow may have a polygonal cross-section such as a triangle, a square, or the like. In one example, the substrate 100 may have a cylindrical shape as shown, and in an example not shown, the substrate 100 may have a polygonal columnar shape. In one embodiment, the substrate 100 may be formed of a ceramic material.

열전 소자는 반도체인 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)가 있으며, 전기적으로 연결된 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220)에 전기적 에너지를 제공하면 전류가 흐르는 방향과 수직한 방향으로 열 에너지를 방출한다. 반대로 전기적으로 연결된 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220)의 일 측면과 타 측면에 온도 차이가 형성되면 열전 소자는 전류를 제공한다. 이와 같이 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 소자를 열전 소자라 하고, 열전 소자를 이용하여 열 에너지와 전기 에너지를 상호 변환하는 장치를 열전 변환 장치라 한다.The thermoelectric element includes an n-type thermoelectric material 210 and a p-type thermoelectric material 220 which are semiconductors. When electrical energy is supplied to the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 that are electrically connected to each other, And emits thermal energy in a direction perpendicular to the direction. On the contrary, when the temperature difference is formed between one side surface and the other side of the electrically-connected n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220, the thermoelectric element provides current. A device capable of converting heat energy to electric energy is called a thermoelectric converter, and a device that converts heat energy and electric energy using a thermoelectric device is called a thermoelectric conversion device.

일 실시예로, n형 열전 재료(210)는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, Zn4Sb3, FeSi2, CoSb3, (Fe, Co)4Sb12, (Zr,Hf,Ti)NiSn, Ca3Co4O9, SrTiO3, BiCuSeO 열전 물질들 중의 어느 하나 이상을 포함하며, p형 열전 재료는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, Zn4Sb3, FeSi2, CoSb3, (Fe, Co)4Sb12, (Zr,Hf,Ti)NiSn, Ca3Co4O9, SrTiO3, BiCuSeO 열전 물질들 중의 어느 하나 이상을 포함한다.In one embodiment, the n-type thermoelectric material 210 includes n-type Bi 2 Te 3 , (Bi, Sb) 2 Te 3 , Bi 2 (Te, Se) 3 , SiGe, (Pb, Ge) Te, PbTe, Zn 4 comprises Sb 3, FeSi 2, CoSb 3 , (Fe, Co) 4 Sb 12, (Zr, Hf, Ti) NiSn, Ca 3 Co 4 O 9, SrTiO 3, more than any one of the BiCuSeO thermoelectric material, p-type thermoelectric material is a p-type Bi2Te 3, Sb 2 Te3, ( Bi, Sb) 2 Te 3, SiGe, (Pb, Sn) Te, PbTe, Zn 4 Sb 3, FeSi 2, CoSb 3, (Fe, Co) 4 Sb 12 , (Zr, Hf, Ti) NiSn, Ca 3 Co 4 O 9 , SrTiO 3 , BiCuSeO thermoelectric materials.

절연체(230)는 p형 열전 재료(220)와 n형 열전 재료(210) 사이에 위치하여 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)가 서로 접촉하여 전기적으로 단락 회로(short circuit)를 형성하는 것을 막는다. 절연체(230)는 전기적 부도체로 형성하며, 일 실시예로, 절연체(230)는 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 어느 하나 이상을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. The insulator 230 is positioned between the p-type thermoelectric material 220 and the n-type thermoelectric material 210 so that the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 are brought into contact with each other and electrically short- ). The insulator 230 is formed of an electrically non-conductive material. In one embodiment, the insulator 230 may be made of a ceramic or epoxy comprising at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, glass, glass-ceramics, SiC, , Phenol, polyimide, polyester, polycarbonate, polyarylate, polyether sulfone, and Teflon.

내부 배선(310)은 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220)와 기판(100) 사이에 위치하며, 외부 배선(320)은 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)의 외주 표면에 위치하여 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)를 전기적으로 연결한다. 내부 배선(310)과 외부 배선(320)은 인접한 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)들을 직렬로 연결한다. The internal wiring 310 is located between the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 and the substrate 100. The external wiring 320 is located between the n-type thermoelectric material 210 and the p- 220 to electrically connect the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 to each other. The internal wiring 310 and the external wiring 320 connect the adjacent n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 in series.

일 실시예에 의하면, 열전 변환 장치(10)는 외부 배선(320)을 덮는 외부 기판(110)을 더 포함할 수 있다. 외부 기판(110)은 외부 배선(320)과 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220) 및 절연체(230)를 보호하는 기능을 수행하며, 기판(100)과 동일한 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로, 외부 기판(110)은 열전도를 촉진하는 열전도 그리스(thermal grease)일 수 있다.According to one embodiment, the thermoelectric conversion device 10 may further include an external substrate 110 covering the external wiring 320. The external substrate 110 functions to protect the external wiring 320 and the n-type thermoelectric material 210, the p-type thermoelectric material 220 and the insulator 230 and is formed of the same material as the substrate 100 . As another example, the external substrate 110 may be a thermal grease that promotes thermal conduction.

도 4는 본 실시예에 의한 열전 변환 장치(10)를 이용하여 전기 에너지와 열 에너지를 상호 변환하는 것을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 직렬로 연결된 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)의 일단과 타단에 연결된 전극(미도시)을 통하여 전류(i)를 제공하면, 전류(i)는 화살표로 도시된 방향을 따라 흐른다. 도시된 방향으로 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)를 통하여 전류가 흐름에 따라 중공에서 기판(100) 방향으로는 흡열 반응이 일어나며, n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220)의 외주 방향으로는 발열 반응이 일어난다. 도면에서, 기판(100)을 향하는 화살표는 흡열 반응을 나타내며, 열전 변환 장치(10)에서 외부로 향하는 화살표는 발열 반응을 나타낸다. 흡열 반응이 일어나면 기판 주위는 냉각되고, 발열 반응이 일어나면 외부 배선(320) 주위는 가열된다.Fig. 4 is a view schematically showing the conversion of electric energy and thermal energy using the thermoelectric conversion device 10 according to the present embodiment. 4, when the current i is supplied through the n-type thermoelectric material 210 connected in series and the electrode (not shown) connected to one end and the other end of the p-type thermoelectric material 220, Flows along the direction shown by the arrow. An endothermic reaction takes place in the direction from the hollow to the substrate 100 as the current flows through the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 in the illustrated direction, and the n-type thermoelectric material 210, the p- An exothermic reaction takes place in the outer circumferential direction of the thermoelectric material 220. In the figure, an arrow pointing to the substrate 100 indicates an endothermic reaction, and an arrow pointing outward from the thermoelectric conversion device 10 indicates an exothermic reaction. When an endothermic reaction occurs, the periphery of the substrate is cooled, and when an exothermic reaction occurs, the external wiring 320 is heated.

전류를 도 4에 도시된 방향과 반대로 제공하면, 기판(100)에서 중공방향으로 발열 반응이 일어나고, 열전 소자의 외주 방향에서 열전 소자를 향하여 흡열 반응이 일어난다. 따라서, 열전 변환 장치(10)에 제공되는 전류 방향을 변경하여 흡열 반응과 발열 반응이 일어나는 위치를 제어할 수 있으며, 냉각 위치와 발열 위치를 변경할 수 있다.4, an exothermic reaction occurs in the hollow direction in the substrate 100, and an endothermic reaction occurs in the thermoelectric element toward the thermoelectric element in the circumferential direction of the thermoelectric element. Therefore, it is possible to control the position where the endothermic reaction and the exothermic reaction occur by changing the current direction provided to the thermoelectric conversion device 10, and the cooling position and the heat generation position can be changed.

도 4로 예시된 실시예에 따라 열전 변환 장치(10)에 전류를 제공하면 중공에서 기판(100) 방향으로 흡열 반응이 일어나며, 중공에는 흡열 반응에 의하여 냉각된다. 중공에 냉각을 필요로 하는 대상을 배치하여 냉각을 수행할 수 있다. 도 4에 도시된 전류 방향과 반대로 전류를 제공하면 기판(100)에서 중공 방향으로 발열 반응이 일어나며, 중공은 발열 반응에 의하여 가열된다. 따라서, 중공에 가열을 필요로 하는 대상을 배치하여 가열을 수행할 수 있다.When an electric current is supplied to the thermoelectric conversion device 10 according to the embodiment illustrated in FIG. 4, an endothermic reaction occurs in the direction from the hollow to the substrate 100, and the hollow is cooled by endothermic reaction. Cooling can be performed by disposing objects that require cooling in the hollow. 4, an exothermic reaction occurs in the substrate 100 in a hollow direction, and the hollow is heated by an exothermic reaction. Therefore, heating can be performed by disposing an object requiring heating in the hollow.

상기한 예와는 반대로, 열전 변환 장치(10)는 중공과 열전 변환 장치 외주면에 형성된 온도차에 상응하는 전류를 제공할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 열전 변환 장치(10)의 외주면의 온도에 비하여 중공의 온도가 낮으면 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)에는 전류가 형성된다. 직렬로 연결된 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)의 일단과 타단에 연결된 전극을 통하여 전류(i)를 제공받을 수 있다. Contrary to the above example, the thermoelectric conversion device 10 can provide a current corresponding to the temperature difference formed on the outer peripheral surface of the hollow and thermoelectric conversion device. As shown in FIG. 4, when the temperature of the hollow is lower than the temperature of the outer circumferential surface of the thermoelectric conversion device 10, a current is formed in the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220. The current i may be supplied through the n-type thermoelectric material 210 connected in series and the electrode connected to one end and the other end of the p-type thermoelectric material 220.

일 예로, 본 실시예에 의한 열전 변환 장치(10)를 내연 기관 머플러와 같이 고온 가스를 배출하는 파이프의 외주에 배치하면 열전 변환 장치(10)는 중공에서 기판(100) 방향으로 제공되는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전류를 제공한다. 열전 변환 장치(10)가 제공하는 전류를 이용하여 충전지를 충전하거나, 전기 및 전자 장치를 구동하는 전력으로 삼을 수 있다.For example, when the thermoelectric conversion device 10 according to the present embodiment is disposed on the outer periphery of a pipe for discharging a hot gas such as an internal combustion engine muffler, the thermoelectric conversion device 10 has a thermal energy To electrical energy to provide current. It is possible to charge the rechargeable battery using the current provided by the thermoelectric conversion device 10, or to use electric power to drive the electric and electronic devices.

도 5 내지 도 7은 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 형성 방법의 각 단계별 공정을 설명하기 위한 사시도이며, 이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 형성 방법을 설명한다. 도 5를 참조하면, 중공을 가지는 기둥 형태 기판(100) 표면에 내부 배선(310)을 형성한다. 내부 배선(310)은 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)를 전기적으로 연결한다. 내부 배선(310)의 너비는 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220) 및 절연체(230)의 폭에 상응하도록 형성된다. 내부 배선(310)은 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 박막 레이어로 형성될 수 있다.5 to 7 are perspective views for explaining steps of each step of the method of forming a thermoelectric conversion device according to the present embodiment. Hereinafter, a method of forming a thermoelectric conversion device according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7 . Referring to FIG. 5, an internal wiring 310 is formed on a surface of a columnar substrate 100 having a hollow. The internal wiring 310 electrically connects the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220. The width of the internal wiring 310 is formed to correspond to the width of the n-type thermoelectric material 210, the p-type thermoelectric material 220, and the insulator 230. The internal wiring 310 may be formed of copper (Cu), tin (Sn), silver (Ag), aluminum (Al), nickel (Ni), gold (Au), platinum (Pt), iron (Fe) , Titanium (Ti), tantalum (Ta), and tungsten (W), and may be formed as a thin film layer.

도 6을 참조하면, n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)를 기판(100)에 배치하되, 내부 배선(310)에 의하여 서로 전기적 연결이 이루어지도록 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)를 형성한다. 일 실시예로, n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)가 서로 전기적으로 접촉하지 않도록 절연체(230)를 배치한다. 6, an n-type thermoelectric material 210 and a p-type thermoelectric material 220 are disposed on a substrate 100. The n-type thermoelectric material 210 is electrically connected to each other by an internal wiring 310, And the p-type thermoelectric material 220 are formed. In one embodiment, the insulator 230 is disposed so that the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 are not in electrical contact with each other.

도 7을 참조하면, n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)가 서로 전기적으로 연결되도록 외부 배선(320)을 형성한다. 외부 배선(320)의 너비는 n형 열전 재료(210), p형 열전 재료(220) 및 절연체(230)의 폭에 상응하도록 형성되며, 내부 배선(310)과 마찬가지로 구리(Cu), 주석(Sn), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 철(Fe), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하며, 박막 레이어로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 도 3에 도시된 바와 같이 내부 배선(310)과 외부 배선(320)에 의하여 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)는 직렬로 연결되며, 직렬로 연결된 n형 열전 재료(210)와 p형 열전 재료(220)의 일단과 타단에는 각각 전류를 제공하거나, 전류를 제공받는 전극이 위치할 수 있다.Referring to FIG. 7, an external wiring 320 is formed so that the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 are electrically connected to each other. The width of the external wiring 320 is formed to correspond to the width of the n-type thermoelectric material 210, the p-type thermoelectric material 220 and the insulator 230, Sn, Ag, Al, Ni, Au, Pt, Fe, Cr, Ti, Ta, W, and may be formed of a thin film layer. 3, the n-type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 are connected in series by the internal wiring 310 and the external wiring 320, and the n-type thermoelectric material 210 and the p- Type thermoelectric material 210 and the p-type thermoelectric material 220 may be positioned at one end and at the other end, respectively.

일 실시예로, 본 실시예에 의한 열전 변환 장치 형성 방법은 도 1에 도시된 것과 같이 외부 기판(110)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 외부 기판(110)은 기판(100)과 마찬가지로 열전도성이 높은 물질로 형성되며, 세라믹 소재로 형성될 수 있다.In one embodiment, the method of forming a thermoelectric conversion device according to the present embodiment may further include forming an external substrate 110 as shown in FIG. Like the substrate 100, the external substrate 110 is formed of a material having high thermal conductivity, and may be formed of a ceramic material.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of illustration, It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the appended claims.

100: 기판 210: n형 열전 재료
220: p형 열전 재료(220) 230: 절연체
310: 내부 배선 320: 외부 배선100: substrate 210: n-type thermoelectric material
220: p-type thermoelectric material (220) 230: insulator
310: internal wiring 320: external wiring

Claims (15)

중공(中孔)을 가지는 기판;
상기 기판이 연장되는 방향을 따라 기판의 표면에 배치되는 n형 열전 재료와 p형 열전 재료;
상기 기판과 상기 n형 열전 재료 및 상기 p형 열전 재료 사이에 위치하여 상기 n형 열전 재료 및 상기 p형 열전 재료를 전기적으로 연결하는 내부 배선 및
상기 n형 열전 재료 및 상기 p형 열전 재료를 외부에서 전기적으로 연결하는 외부 배선을 포함하는 열전 변환 장치.A substrate having a hollow bore;
An n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material disposed on a surface of the substrate along a direction in which the substrate extends;
An internal wiring which is located between the substrate and the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material and electrically connects the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material, and
And an external wiring electrically connecting the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material from outside. 제1항에 있어서,
상기 중공은 원 및 다각형 중 어느 하나의 단면을 가지는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the hollow has a cross section of either a circular shape or a polygonal shape. 제1항에 있어서,
상기 n형 열전 재료는 n형 Bi2Te3, (Bi,Sb)2Te3, Bi2(Te,Se)3, SiGe, (Pb,Ge)Te, PbTe, Zn4Sb3, FeSi2, CoSb3, (Fe, Co)4Sb12, (Zr,Hf,Ti)NiSn, Ca3Co4O9, SrTiO3, BiCuSeO 열전 물질들 중의 어느 하나 이상을 포함하는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the n-type thermoelectric material is at least one of n-type Bi 2 Te 3 , (Bi, Sb) 2 Te 3 , Bi 2 (Te, Se) 3 , SiGe, (Pb, Ge) Te, PbTe, Zn 4 Sb 3 , FeSi 2 , A thermoelectric conversion device comprising at least one of CoSb 3 , (Fe, Co) 4 Sb 12 , (Zr, Hf, Ti) NiSn, Ca 3 Co 4 O 9 , SrTiO 3 and BiCuSeO thermoelectric materials. 제1항에 있어서,
상기 p형 열전 재료는 p형 Bi2Te3, Sb2Te3, (Bi,Sb)2Te3, SiGe, (Pb,Sn)Te, PbTe, Zn4Sb3, FeSi2, CoSb3, (Fe, Co)4Sb12, (Zr,Hf,Ti)NiSn, Ca3Co4O9, SrTiO3, BiCuSeO 열전 물질들 중의 어느 하나 이상을 포함하는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
The p-type thermoelectric material is a p-type Bi2Te 3, Sb 2 Te3, ( Bi, Sb) 2 Te 3, SiGe, (Pb, Sn) Te, PbTe, Zn 4 Sb 3, FeSi 2, CoSb 3, (Fe, Co ) 4 Sb 12 , (Zr, Hf, Ti) NiSn, Ca 3 Co 4 O 9 , SrTiO 3 , BiCuSeO thermoelectric materials. 제1항에 있어서,
상기 n형 열전 재료 및 상기 p형 열전 재료는 각각 미리 정해진 두께와 미리 정해진 높이로 상기 기판의 표면을 포위하도록 배치된 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are arranged so as to surround the surface of the substrate with a predetermined thickness and a predetermined height, respectively. 제1항에 있어서,
상기 열전 변환 장치는,
상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료 사이에 위치하여 전기적 절연을 수행하는 절연체를 더 포함하는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
The thermoelectric conversion device includes:
And an insulator disposed between the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material and performing electrical insulation. 제6항에 있어서,
상기 절연체는 SiO2, Al2O3, AlN, 유리, 글라스-세라믹, SiC, Si3N4 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 세라믹 또는 에폭시, 페놀, 폴리이미드, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 폴리아릴레이트, 폴리에테르슬폰, 테프론 중 어느 하나 이상을 포함하는 열전 변환 장치.The method according to claim 6,
The insulator may be formed of a ceramic comprising at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , AlN, glass, glass-ceramics, SiC and Si 3 N 4 or one or more selected from the group consisting of epoxy, phenol, polyimide, polyester, polycarbonate, polyarylate, polyether A thermoelectric conversion device, a thermoelectric conversion device, and a thermoelectric conversion device. 제1항에 있어서,
상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료는 복수개가 상기 기판의 연장 방향을 따라 서로 교번하여 위치하는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein a plurality of the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are alternately disposed along the extending direction of the substrate. 제1항에 있어서,
상기 서로 교번하여 위치하는 상기 복수개의 상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료는 서로 직렬로 연결된 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
And said plurality of said n-type thermoelectric materials and said p-type thermoelectric material alternately disposed in series. 제1항에 있어서,
상기 열전 변환 장치는 상기 열전 변환 장치의 외주(outer perimeter)를 덮도록 형성된 외부 기판을 더 포함하는 열전 변환 장치.The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric conversion device further comprises an external substrate formed to cover an outer perimeter of the thermoelectric conversion device. (a) 중공을 가지는 기둥 형태 기판의 표면에 내부 배선을 형성하는 단계와,
(b) n형 열전 재료와 p형 열전 재료를 상기 기판에 배치하되, 상기 내부 배선에 의하여 서로 전기적 연결이 이루어지도록 상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료를 배치하는 단계 및
(c) 상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료가 서로 전기적으로 연결되도록 외부 배선을 형성하는 단계를 포함하는 열전 변환 장치 형성 방법.(a) forming an internal wiring on a surface of a columnar substrate having a hollow,
(b) arranging the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material on the substrate so that the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are electrically connected to each other by the internal wiring, and
(c) forming an external wiring so that the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are electrically connected to each other. 제11항에 있어서,
상기 열전 변환 장치 형성 방법은,
상기 기판이 연장된 길이에 따라 상기 (b) 단계를 복수회 수행하는 열전 변환 장치 형성 방법.12. The method of claim 11,
In the method for forming a thermoelectric conversion device,
Wherein the step (b) is performed a plurality of times in accordance with the extended length of the substrate. 제11항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료가 서로 접촉하지 않도록 절연체를 형성하는 과정을 더 수행하는 열전 변환 장치 형성 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step (b) further comprises forming an insulator so that the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material do not contact each other. 제11항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 n형 열전 재료와 상기 p형 열전 재료가 각각 미리 정해진 두께와 미리 정해진 높이로 상기 기판의 표면을 포위하게 형성되도록 수행하는 열전 변환 장치 형성 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the step (b) is performed such that the n-type thermoelectric material and the p-type thermoelectric material are formed so as to surround the surface of the substrate with a predetermined thickness and a predetermined height, respectively. 제11항에 있어서,
상기 열전 변환 장치 형성 방법은,
(d) 외주(outer perimeter)를 덮도록 외부 기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 열전 변환 장치 형성 방법.

12. The method of claim 11,
In the method for forming a thermoelectric conversion device,
(d) forming an outer substrate to cover the outer perimeter.

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